飞行器一体化防热材料力/热特性跨尺度预测方法研究

With the development of new generation of hypersonic vehicles, the long flight, complex configuration, high precision and high mobility has become the new trend. The new non-ablative composite materials thermal protection system is becoming the main heat protection mode for new generation of hypersonic vehicle. For the new requirements of the structural design using the fiber reinforced ceramic matrix composites, which have multi-scale, non-linear, non-uniform properties, the multi-scale modeling method for the thermal/mechanical performance prediction of continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites will be developed. The multi-scale design optimization model of aircraft structure under the fluid-thermal-structural coupled condition will be studied. Through this research, the influence mechanism of the composite mesoscopic structure and the macroscopic thermal/mechanical properties of the material will be revealed. The cross-scale model for the macroscopic thermal/mechanical properties prediction of the continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites will be explored and established. This study will provide a theoretical basis for the development of a new generation of hypersonic vehicle structural design, which will provide important guarantee for the innovation of composite materials and the development of weapon equipment.

随着新一代高超声速飞行器向长航时、复杂构型、高精度及高机动性等趋势发展，基于新型复合材料的防热/承载一体的非烧蚀防热系统正成为新一代高超飞行器的新特点。项目针对连续纤维增韧陶瓷基复合材料多尺度、非线性、非均匀等特性给飞行器结构设计提出的新需求，开展连续纤维增韧陶瓷基复合材料热/力学性能预测的多尺度建模研究，在实际飞行的流-热-固耦合环境下，开展材料细观参数对热-力耦合特性的影响特征研究，形成复合材料的热-力耦合特性预测能力，建立材料热/力耦合性能的跨尺度预测方法。通过研究，揭示连续纤维增韧陶瓷基复合材料细观结构对材料宏观热/力学性能的影响机理，探寻并建立适用于该类材料宏观热/力学性能预测的跨尺度模型，发展材料服役过程的多尺度效应及多物理场耦合下的精细化力、热特性和热-力耦合特性预测方法，为推动新一代高超声速飞行器结构设计发展提供理论基础，为复合材料创新和武器装备发展提供重要保障。

随着新一代高超声速飞行器向长航时、复杂构型、高精度及高机动性等趋势发展，对飞行器升力和机动性都提出了更高的要求。基于新型复合材料的防热/承载一体的非烧蚀热防护系统正成为新一代高超声速飞行器的新特点。以陶瓷基复合材料为代表的新一代热防护材料虽然在热防护性能和结构性能方面都有着先天优势，但此类新型材料多尺度、非线性、非均匀的新特点，以及复杂的热学、力学特征，给传统的飞行器结构设计与评估提出了新的挑战。本项目基于气动力、气动热与结构响应的真实飞行流-热-固多场耦合条件，开展连续纤维增韧陶瓷基复合材料热/力学性能预测的多尺度建模，建立连续纤维增韧陶瓷基复合材料跨尺度热-力耦合性能的预测方法研究。通过研究，揭示了复合材料细观模型对材料宏观热/力学性能的影响机理，探寻并建立了适用于连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观热/力学性能预测的跨尺度模型方法，发展并形成了材料服役过程的多尺度效应及多物理场耦合下的精细化力、热特性和热-力耦合特性预测能力，为推动新一代高超声速飞行器结构设计发展提供理论基础，为复合材料的创新和武器装备发展提供重要保障。